COMUNICAÇÃO TÉCNICA · Manutenção nas Empresas de Energia Elétrica, 4., 2019, São Paulo. ... Mecânica, Naval e Elétrica . Fase IV: Interface gráfica do simulador Proposta

COMUNICAÇÃO TÉCNICA ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Nº176515

Desenvolvimento de um simulador para auxílio do manejo de troncos de usinas hidrelétricas João Lucas Dozzi Dantas

Palestra apresentada no Congresso Técnico sobre Manutenção nas Empresas de Energia Elétrica, 4., 2019, São Paulo.

A série “Comunicação Técnica” compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. ___________________________________________________________________________________________________

Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo

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1

DESENVOLVIMENTO DE UM SIMULADOR PARA

AUXILIO DO MANEJO DE TRONCOS DE USINAS

HIDRELÉTRICAS

João Lucas Dozzi Dantas

[email protected]

Laboratório de Engenharia Naval e Oceânica

mailto:[email protected]

2

IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas

do Estado de São Paulo

Naval

Energia

Transporte

Materiais e

Química

Infraestrutura

Mercados

Inovação, pesquisa e

desenvolvimento

Serviços tecnológicos

Desenvolvimento e apoio

metrológico

Informação e educação em

tecnologia

Atividades Técnicas

Centro de Tecnologia

Mecânica, Naval e Elétrica

Santo Antônio Energia

Usina hidroelétrica localizada no rio

Madeira, na floresta amazônica

Quarta maior geradora de energia

hidroelétrica do Brasil

3,57 MW de capacidade instalada

Energia para cerca de 45 milhões de

pessoas



4

Sumário

Introdução:

Contextualização

Abordagem

Problema

Solução do IPT

Entendimento dos fenômenos físicos

Validação dos modelos

Análise e desenvolvimento de um simulador

Conclusões



Introdução - Contextualização

Rio Madeira é um rio “novo”, com cerca

de 2 km de largura e 3.315 km de

extensão

O rio é conhecido por carregar muitos

troncos e vegetação

Na época de cheia pode chegar a uma

vazão de 9.000 troncos por dia

5



Introdução - Abordagem

Para impedir que estes troncos e vegetações cheguem as máquinas, a SAE

desenvolveu uma solução baseada no modelo de Log Boom – Barreiras

flutuantes instaladas a montante das entradas das turbinas

6



Introdução - Problema

As vazões do rio madeira podem chegar a até 60.000 m³/s (500 anos),

gerando velocidades do escoamento locais de até 3,5 m/s

As linhas de Log Boom formam estruturas muito complexas em que o

carregamento hidrodinâmico e, consequentemente, estrutural não

apresentam um comportamento linear

Dúvidas:

Qual a capacidade de resistência destas linhas de Log Boom?

Como monitorar estas linhas de maneira simples e fácil

7



Solução IPT: P&D ANEEL (PD-06683-0116/2016)

Simulador de carregamentos das linhas de Log Boom

1 - Identificação do

problema

3 - Cálculos

de

engenharia

2 - Carregamento

dos dados

4 - Obtenção da

solução: linhas com

risco de quebrar e

afundar

8



Solução IPT:

Estruturação – Fases de Projeto

I • Entender os fenômenos e construir

os modelos numéricos

II • Validar os modelos e o

conhecimento produzido

III

• Aplicar o conhecimento para analisar as linhas e construir o simulador

IV • Revisar e readequar o simulador

9



[ [

Fase I

Entender e investigar os fenômenos e os esforços hidrodinâmicos nas linhas de Log Boom

Centro de Tecnologia Mecânica, Naval e

Elétrica 10

Fase I – Modelo Hidrodinâmico

Método Local - Módulo

• Cálculo dos esforços em apenas um conjunto de grade-

flutuador

• Variáveis de entrada:

• Velocidade da água

• Direção do escoamento

• Modelo numérico

• Volumes finitos (CFD)

• Condição periódica

11




Métodos Local - Resultados • As simulações mostraram

uma grande região de

vorticidade gerada pela grade

• Esforços verticais mostraram

que a grade não estava em

equilíbrio:

• Afundamento e rotação do

chassi


Método Global – Linha de Log Boom

• Dada uma condição de escoamento,

calcular a distribuição da força de

tração ao longo da linha

• Variáveis de entrada:

• Velocidade da água em cada

módulo

• Direção do escoamento em cada

módulo

• Saída:

• Tração ao longo da linha

13



Fase I – Elementos instrumentados

Grade e tala Tirantes

14

Fase I – Instalação dos elementos

instrumentados

15



Fase I – Instalação dos sistemas

Autonomia Energética

16



Fase I – Resultados da instrumentação V

azão

Forç

a d

o T

irante

Carga na Linha

instrumentada

possui

correlação com

vazão total do

Rio Madeira

17



[ [

Fase II

Estender, aprofundar e validar os modelos analíticos-numéricos das linhas de Log Boom


Elétrica 18

Fase II – Modelo Hidrodinâmico

Validação: Tanque de Provas • Três tipos de configurações de linhas

truncadas

• Somente chassis (C1)

• Chassis com batelão central (C2)

• Chassis com batelão na ponta

(C3)

• Modelagem da ancoragem pelo

mecanismo de tirantes

• Medição do afundamento e rotação do

flutuador

• Medição dos esforços de ancoragem e

da grade

• Simulação dos troncos

19


Tanque de Provas II - Configurações

• Somente chassis

(C1)

• Chassis com batelão

central (C2)

• Chassis com batelão

na ponta (C3)

20


Tanque de Provas II - Resultados

Velocidade de 2,0 m/s

21




Tanque de Provas II - Resultados

Velocidade de 2,25 m/s

22



Fase II – Modelo Hidrodinâmico Validação com Tanque de Provas

Fase II – Análise estrutural

Cálculo de carregamento da linha de Log Boom

• Refinamento do cálculo de carregamento

total utilizando modelagem multicorpos

(software SIMPACK):

• Representação da

linha por barras

articuladas

• Força de arrasto

calculada conforme

parâmetros de arrasto

definidos nas

simulações CFD

24



0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00

Inte

nsi

dad

e d

a V

elo

cid

ade

[m

/s]

Posição [m]

Medição

Modelo

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00

Ori

en

taçã

o d

a V

elo

cid

ade

[gr

aus]

Posição [m]

medição

modelo

Pilar 12 Bloco 11


Perfil de velocidades no modelo

25 Centro de Tecnologia Mecânica, Naval

e Elétrica

Exemplo: Linha 12 (89 grades + 2 tirantes)


Simulação Multi-corpos (SIMPACK)

26



Fase II – Segunda Campanha de

Instrumentação

• Objetivos principais

• Obter carregamento total da Linha 12

• Caracterizar a distribuição do carregamento entre elementos

(tala e perfis da grade; tirantes)

• Componentes instrumentados (Linha 12):

• Duas grades instrumentadas (duas medições de força por

perfil);

• Duas talas instrumentadas (duas medições de força por tala);

• Trinta e dois elos de tirantes de ancoragem (dois elos por

tirante).

• Total: 76 medições de força baseadas em 306 strain gages

27




Instrumentação

28

Centro de Tecnologia Mecânica,

Naval e Elétrica


Instrumentação

29

Centro de Tecnologia Mecânica, Naval

e Elétrica

[ [

Fase III

Desenvolvimento da ferramenta numérica para predição do carregamento das linhas de Log Boom (Simulador)


Elétrica 30

Fase III – Condições Ambientais

Desenvolvimento do modelo hidráulico-numérico

• Objetivo: • Permitir o cálculo da velocidade

em qualquer linha dada uma

condição de operação

• Ter uma melhor discretização

do escoamento próximo às

linhas

31

Fase III – Análise Estrutural

Resistência de elementos do módulo

CFD

Tração perfil

MEF perfil

Carga total na linha Distribuição de carga entre elementos

Multicorpos (Linha)

Tanque de Provas

Instrumentação

DIMENSIONAMENTO DA LINHA

32



Fase III – Análise Estrutural Baseando-se nos resultados da Linha 12, foram definidos

critérios para dimensionamento das linhas segundo:

• Proximidade das unidades geradoras (dependência da vazão

turbinada ou total do rio)

• Fs = 1,5 para escoamento em condições de operação

(todas as linhas);

• Fs = 1,5 para ruptura em condições excepcionais (quando

dependente da vazão total do rio);

• Configuração da grade (número de perfis)

• Utilização ou não da tala de reforço

33



Fase III – Exemplos de resultados de

simulações

Relação entre carregamento e geração na Linha 4

20.000

21.000

22.000

23.000

24.000

25.000

26.000

27.000

28.000

29.000

30.000

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Ger

ação

[MW

h]

Forç

a m

áxim

a [k

N]

força

GG1 e 4

34



Fase III – Exemplos de resultados de

simulações

Análise de sensibilidade da Linha 8

0

50

100

150

200

250

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

111 113 115 117 119 121 123 125 127 129 131 133 135

Fle

cha

má

xim

a [

m]

Forç

a m

áxi

ma

[k

N]

Número de Módulos

força

flecha

35



[ [

Fase IV

Atualização e revisão do simulador de carregamento das linhas de Log Boom para incorporar as modificações na UHE Santo Antônio


Elétrica 36

Fase IV - Desenvolvimento do simulador de

carregamentos das linhas de Log Boom

• Objetivos:

• Desenvolver uma ferramenta para previsão do

carregamento das linhas de Log Boom para

orientar a equipe de manutenção

• Apresentar um interface simples e intuitiva para ser

utilizada pela própria equipe de manutenção da

usina

• Utilizar modelos hidrodinâmicos e estruturais

previamente desenvolvidos ao longo do projeto

para compor os diversos módulos do simulador

37



Fase IV: Interface gráfica do simulador

Proposta de nova interface e funções

38



Conclusões

• O desenvolvimento do projeto de P&D ANEEL-SAE-IPT

(PD-06683-0116/2016) permitiu entender melhor a

hidrodinâmica e os carregamentos estruturais nas linhas

de Log Boom da UHE Santo Antônio;

• O simulador permitiu prever os carregamentos das

linhas de Log Boom de maneira fácil e pratica, sem que

os usuários precisem recorrer de cálculos avançados;

• O uso deste simulador está permitindo à equipe de

manutenção de limpeza da SAE tenha um maior

conhecimento das suas linhas, e se organize de maneira

mais efetiva na limpeza delas.

Seu desafio é nosso. Seu desafio é nosso.

Centro de Tecnologia Mecânica, Naval e Elétrica – CTMNE

Laboratório de Engenharia Naval e Oceânica – NAVAL Joao Lucas Dozzi Dantas - [email protected] – (11) 3767-4450

Laboratório de Equipamentos Mecânicos e Estruturas – LEME [email protected]



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